土壤重金属污染及其植物修复研究

辽宁大学学报

自然科学版

第31卷　第3期　2004年

JO U RN A L O F L IA ON IN G U N IV ERS I T Y

N atural Sciences Edition

Vol.31　No.3　2004

土壤重金属污染及其植物修复研究

肖鹏飞,Ξ李法云,付宝荣,王效举

(辽宁大学环境与生命科学学院,辽宁沈阳110036)

摘　要:土壤污染是当今世界面临的主要环境问题之一.传统的污染土壤的物理化学治理技术具有技术要求和经济成本高,严重破坏土壤结构等缺点,不适于低浓度、大范围污染土壤的治理及应用.与之相比较,植物修复以其修复成本低、无二次污染等独特的优势正受到全世界的普遍关注和重视,并成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题.就我国土壤重金属污染现状与危害、植物修复的原理与优缺点及其研究展望作一简述.

关键词:污染土壤;重金属;植物修复.

中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:100025846(2004)0320279205

随着工业的发展和农业生产的现代化,大量的污染物进入土壤环境,土壤污染日益严重.重金属污染在土壤污染中不仅面积大,并且持续时间长.土壤中有害重金属含量积累到一定程度,会对土壤—植物系统产生毒害作用,导致土壤退化、农作物的产量和品质下降,而且,重金属可以通过径流和淋洗等作用污染地表水和地下水,并能通过接触和食物链等途径危及人类的生命健康.

当前,污染土壤的修复技术主要包括物理化学修复和生物修复两种方法.物理化学法和微生物修复对于重金属和放射性物质污染环境的修复适用性较差,不能从根本上解决大面积的土壤环境污染问题.与传统的物理化学修复方法相比较,植物修复在重金属污染治理中具有不可替代的优势,并以其治理过程的原位性、治理成本的低廉性、管理与操作的简易性及环境美学的兼容性日益受到人们的重视,并成为污染土壤修复研究的热点之一.植物修复所具有的独特技术及经济优势,预示着它将发展成为污染治理领域的新兴产业之一.1　我国土壤重金属污染概况

据统计,1980年我国工业三废污染耕地面积266.7万hm2,1988年增加到666.7万hm2,1992年增加到1000万hm[1].目前,全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2000万hm2,约占耕地面积的1/5.农业部调查表明:我国污灌区面积约140万hm2,遭受重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%,其中轻度污染占46.7%,中度污染占9.7%,严重污染面积占8.4%,其中以Hg 和Cd的污染面积最大.全国目前约有1.3万hm2耕地受到Cd的污染,涉及11个省市的25个地区;约有3.2万hm2的耕地受到Hg的污染,涉及15个省市的21个地区[2].部分地区的重金属污染已相当严重,如广州郊区老污灌区,土壤中Cd 的含量竟高达228mg/kg,平均含量为6.68mg/ kg;沈阳张士灌区有2533hm2土地遭受Cd的污染,其中严重污染为13%[3].据报道,目前我国污灌区有11处生产的大米中Cd含量严重超标.例如,成都东郊污灌区生产的大米中Cd含量高达

Ξ作者简介:肖鹏飞(19782),男,辽宁丹东人,硕士研究生,从事污染生态学研究

　资助项目:国家自然科学基金(29807002)、教育部骨干教师资助计划、沈阳市科委基金(20010037)及辽宁省教育厅基金(20021019)资助

　收稿日期:2004202220

1.65mg/kg,超过WHO/FAO所规定的含量标准7倍之多[2].我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1000万吨,被重金属污染的粮食多达1200万吨,合计经济损失至少200亿元[4].

2　土壤重金属污染的危害

土壤一旦被污染后,其危害性远远大于大气和水体的污染.土壤被污染后,部分污染物质可以通过土壤本身固有的生物化学作用或通过挥发而减轻外,大部分污染物质能较长时间存在于土壤环境中,难以消除,特别是重金属化合物,残留时间长,危害作用大,经作物吸收后进入食物链危害人类健康.因此,土壤污染较之于大气和水体污染而言,一般污染暴露的时滞效应较长,易被人们所忽视,容易造成更大的危害.

2.1　对土壤微生物和土壤酶的危害

重金属对土壤微生物的影响较为复杂,取决于土壤性质、重金属种类及微生物对重金属的吸收和代谢途径等多种因素.研究表明,重金属污染能明显影响土壤微生物群落,降低土壤微生物量和活性细菌数量.Hani等发现,重金属的增加会影响微生物种类并导致微生物量下降[5].在受Cd 污染的土壤中,细菌、真菌和放线菌的数量比未受污染的土壤低得多.对土壤重金属综合污染指数与微生物多样性指数的相关分析表明,在土壤综合污染较轻的条件下,土壤微生物多样性较高.随着重金属综合污染指数的增加,微生物多样性指数呈指数式迅速下降.李元等的研究也表明,重金属污染会减少能利用碳底物的微生物的数量,降低土壤微生物群落的多样性[6].

国内外关于重金属对土壤酶活性的研究已有不少报道.重金属对土壤酶活性的影响多表现为抑制作用.Hg对脲酶的抑制作用最为敏感,其余依次为转化酶、磷酸酶和过氧化氢酶.当加入土壤中的Hg为30mg/kg时,脲酶的活性降至原来的29%～47%.脲酶的活性可作为土壤Hg和Hg、Cd复合污染程度的生化监测指标[7].Cd、Zn、Pb 共存对脲酶表现出协同抑制负效应的特征,对转化酶和碱性磷酸酶的影响主要随Cd浓度的增加而降低,Cd的抑制作用显著;在复合效应影响中,三种重金属对土壤酶活性抑制效应依次为:抑制C d>抑制Z n>抑制P b.刘霞等人的研究结果表明,潮土上总量Cd和Pb与几种土壤酶的关系大多不显著,相关系数小,而潮褐土中各形态的Cd 和Pb与土壤酶活性都显著相关,顺序依次为交换态>铁锰结合态>碳酸盐结合态[8].

2.2　对农作物的危害

污染土壤中的重金属通过作物根部的吸收进入作物体内,蓄积到一定程度后会对作物产生毒害.对Cd污染条件下小白菜和菜豆幼苗生长的研究发现,30μmol/L的Cd使小白菜和菜豆的生长受到抑制,表现为株高、主根长度下降,叶面积锐减等,其原因可能在于Cd对作物光合作用与蛋白质合成的干扰以及膜系统损伤造成的代谢紊乱等[9].由于重金属对根部生长发育的抑制作用,作物对营养元素的吸收和运输受到影响.如Cu污染土壤中小麦根部P、K、Ca、Mg和Fe等营养元素含量均较低.研究表明,复合污染条件下,不同重金属的协同和加和作用可加剧对农作物的危害.许桂莲等研究发现,Zn、Cd及其复合作用均影响小麦幼苗对营养元素Ca、Mg的吸收,并且Ca、Mg的吸收随Zn、Cd浓度的升高而呈下降趋势[10].Zn、Cd、Cu、Pb、As复合污染中Pb含量为300mg/kg时,水稻减产4.6%～6.8%,而单元素Pb含量高达2000mg/kg时,水稻仅减产3. 4%,显然重金属复合污染可加剧对作物的毒性作用[11].

3　重金属污染土壤的植物修复技术植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础,利用自然生长或遗传工程培育的植物及其共存微生物体系,清除环境中污染物的环境污染治理技术.植物修复为从根本上解决土壤重金属污染提供了一条重要的修复和治理途径.根据修复作用过程与机理,重金属污染土壤的植物修复技术可分为以下三种类型:

(1)植物稳定(Phytostabilization)是通过耐重金属植物及其根际微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金属,以降低其生物有效性和移动性,并防止其进入地下水和食物链,减少对环境和人类健康危害的风险.对土壤环境中Pb的固定研究表明,一些植物可降低Pb的生物有效性,缓解

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